電力機車車頂高壓絕緣檢測系統應用分析

馬牮

摘 要：文章介紹了一種電力機車車頂高壓絕緣檢測裝置，它利用機車已有的高壓電壓互感器及蓄電池電源在互感器的一次側模擬接觸網電壓，檢測車頂高壓設備絕緣狀態，從而避免因機車車頂絕緣狀態不良造成的弓網事故。

關鍵詞：高壓絕緣檢測；弓網電壓；逆變電源；閉環控制

近年來，隨著我國電氣化鐵路的不斷增多，電力機車的應用也越來越廣泛。由于電力機車的高壓電氣設備為戶外安裝，這就要求它們與機車車頂之間有良好的高壓絕緣性能，以防止風、砂、雨、雪等惡劣天氣及雷電過電壓的侵襲。當電力機車車頂高壓電氣設備發生故障，造成高壓設備接地或與車頂間絕緣降低時，一旦升弓輕則造成受電弓滑板與接觸網粘接，重則燒損接觸網，影響大面積接觸網線路，嚴重影響鐵路正常運營秩序。

為此，中國鐵路總公司針對如何檢測機車車頂高壓絕緣狀態做了大量的研究，并從2014年起，在機車上陸續加裝了機車車載安全防護系統，本文對該系統中高壓絕緣檢測裝置的設計、原理和應用進行分析和介紹。

1 如何檢測車頂高壓設備的絕緣

機車上的高壓電壓互感器具有檢測接觸網電壓的作用，它通過固定的變比將接觸網的高電壓轉換為低電壓加載到網壓表上，以顯示網壓狀態。以HXD3型機車為例，當接觸網電壓為25kV時，高壓電壓互感器二次繞組感應電壓為100V。反之，在二次繞組側施加AC100V電壓時，在一次側也會感應出25kV的空載電壓。當車頂高壓設備與車頂之間的絕緣降低時，一次繞組的等效阻抗會減小，一次繞組電流隨之增大，根據互感器的原理，二次繞組電流也將增大，從而影響到二次繞組的電壓，通過高壓電壓互感器的一、二次繞組的電壓變化就可以實現檢測車頂高壓設備絕緣狀態的目的。

2 高壓絕緣檢測裝置的原理闡述

高壓絕緣檢測裝置通過閉環開關電源檢測技術和直流逆變交流技術有機結合，將機車蓄電池輸出的直流電，通過逆變將其轉化為正弦交流電加到高壓電壓互感器的二次側，從而使高壓電壓互感器的一次側感應出25kV高壓電模擬弓網電壓。當高壓車頂絕緣狀態下降時，一次側等效阻抗下降，電流增加，當等效阻抗下降到一定程度時，由于高壓絕緣檢測裝置加到互感器次邊的電流被限定在一定范圍，所以為了維持電流到某一限定值，施加到互感器上的電壓會隨著阻抗的下降而下降，按照這個原理通過模擬加載電壓的大小就可以等效出車頂高壓設備的絕緣狀態。

2.1 直流逆變電源

高壓絕緣檢測裝置需要的電源來自于機車的蓄電池，電壓范圍在77～138V之間，輸入電壓先通過直流濾波器濾去高次諧波，再經過DC/DC降壓模塊將直流電壓降低。這是由于機車模擬阻抗較低，同時受到高壓電壓互感器的最大功率限制，所以采用標準100V輸出會導致輸出電流過大，對高壓電壓互感器造成影響。

通過降壓的直流電再經過PWM控制的逆變器，將輸出電壓控制在AC50V，50Hz，由于采用了PWM調制技術，輸出電壓的大小和頻率都可以進行微調，同時設置了過壓、過載、短路保護措施，使該電源具有很高的可靠性和穩定性。

由于輸出電壓為50V，為了與其他機車的高壓絕緣檢測裝置的外部特性進行統一，采用當量顯示法，將實際12.5kV顯示為25kV，便于操作及參看。

2.2 保護電路

高壓絕緣檢測裝置操作時會在車頂受電弓部分加載試驗高電壓，所以操作前必須確認處于安全操作狀態，即無論處于庫內還是在線運用，必須確認機車處于降弓停車、主斷路器斷開狀態，并必須確認機車車頂無人操作并鎖閉活動天窗。

高壓絕緣檢測裝置利用了機車原有的安全聯鎖系統。當使用絕緣檢測裝置檢測車頂高壓設備絕緣狀態時，只有受電弓降下且車頂天窗處于鎖閉狀態時才能從機車上拔下藍鑰匙，而藍鑰匙又是控制高壓絕緣檢測裝置電源接通的開關，只有用藍鑰匙打開高壓絕緣檢測裝置上的電源，高壓絕緣檢測裝置才能進行絕緣測試。通過電氣連鎖確認受電弓降下并且確認車頂無人且車頂天窗鎖閉，可以確保高壓絕緣測試安全進行。

2.3 閉環控制技術

閉環控制是基于反饋原理建立的自動控制系統。所謂反饋原理，就是根據系統輸出變化的信息來進行控制，即通過比較系統行為（輸出）與期望行為之間的偏差，并消除偏差以獲得預期的系統性能。

高壓絕緣檢測裝置采用閉環控制技術對高壓電壓互感器二次側的電流進行控制，當機車車頂絕緣狀態下降時，一次側電流會增大，同時，根據互感器的原理，二次側電流會隨之增大，二次側電流的信號采樣后會被輸送到PWM控制器中，通過控制器中的控制算法改變PWM波的占空比，從而降低交流輸出電壓，達到控制二次側電流的目的。

3 運用案例分析

2014年，某HXD3型機車承擔貨運牽引任務。列車于1：56分開車，5：57分到站，停車后司機斷電、降弓，辦理直供電交接。車輛乘務員摘除列供重聯線后，司機準備升弓，按程序使用“6A系統車頂高壓絕緣檢測功能”檢測機車車頂高壓設備絕緣情況，“6A系統”顯示報警不通過。機車升弓前，乘務員首先確認網側感應電壓。確認網側感應電壓為零后，使用“6A系統車頂絕緣檢測裝置”進行車頂設備絕緣檢測，檢測結果顯示車頂絕緣不符合標準要求，判定機車車頂高壓設備絕緣不良。

綜合現場檢查情況，并根據“6A系統”車頂絕緣檢測故障記錄，分析可能造成本次故障的原因是：該機車在嚴重霧霾天氣下長時間運行，影響車頂高壓設備絕緣性能，導致網側感應電壓為零，并且乘務員使用“6A系統”連續三次車頂絕緣測試，絕緣值均遠低于系統門限值15kV，絕緣報警，更進一步證明當時機車車頂高壓設備絕緣狀態不良。通過高壓絕緣檢測裝置，有效的避免了機車盲目升弓可能導致的弓網事故。

4 結束語

高壓絕緣檢測裝置作為機車車載安全防護系統的重要組成部分，在檢測機車車頂高壓設備絕緣狀態方面起到了重要作用。運用機車每次出庫前進行一次絕緣檢測，確認裝置及機車絕緣狀態，如發現絕緣檢測裝置報警，不可盲目升弓，將兩個受電弓通過高壓隔離開關分別隔離后單獨測試絕緣，以此確定并隔離故障受電弓后方可升弓。這樣可以有效的減少弓網事故，保障機車運行安全和鐵路運營秩序。

參考文獻

[1]許玉清，張建朝，朱賀棟.電力機車車頂高壓設備絕緣故障檢測[J].株洲：機車電傳動，2005（2）：59-60.

[2]毛紅軍.電力機車車頂絕緣檢測裝置的研究[D].成都：西南交通大學，2007.

[3]申瑞源.機車車載安全防護系統（6A系統）總體方案研究[J].北京：中國鐵路，2012（12）：1-6.